（电力电子与电力传动专业论文）矩阵变换器的研究(1).pdf

矩阵变换墨的研究 核心，实现了空间矢量p 删控制策略，采用x i l i n x 公司的c l p i d x c 9 5 1 4 4 完成了组合双向开关的安全换流。文章对以上部分的 组成电路的原理以及后者数字逻辑的v h d l 实现进行了详细介 绍。 本文最后给出了数字逻辑的仿真波形和实验的相关波形， 并对实验结果进行了分析，验证了本文策略的正确性和可行性。 本文研究的目的是对矩阵变换器基本原理、控制策略、开 关换流等基本性问题进行探索性研究工作，为矩阵变换器的进 一步的深入研究奠定了基础。 关键词：矩阵变换器，空间矢量调制，四步换流，双向开关， c p l d ，d s p 北寨交通大学硬士学位论文 矩阵变换罂的研究 l nr n o d l l l a r i z a t i o n r e l i a b l ec u r r e n tc o m i m l n i c a t i o nb e t w e e ns w i t c h e si n 珈l a t r i x c o n v e r l e ri sm o r ci m p o n 粕t 1 1 i l es t 玎岍：t u r eo fb i 珂i r e c t i o n a ls w i t c h e s f o r l a t r i xc o n v e r t e ra r e a n a l y z e d r e l i a b i l i t ya n da c c u a r c yo f f o u r - s t e pc o m m u t a t i o ns t r a t e g yi sp 量d v e d f 0 u r s t c pc o l n 】咖t a 虹o n s t r a t e g ya r ea c c o m p l i s h e db yc p u ) t h i s p a p e rd e v e i o p s a n e x p e r i m e n ts y s t e mt ov e r i 旬t h e a 1 9 0 r i t h m e f f b c t i v e n e s s r n l i sn t r o l s y s t e m i sb a s e do n t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，b yw h i c ha l g o r i m m 缸ei m p l e m e n t e d a n dt h e r e l i a b l ec u h e n tc o m 础t a t i o ni sa c h i e v e db v) ( i l i n x s凹l d x c 9 5 1 4 4 n ep r i n c i p l eo fe a c hp a na n dt h ed i g “a l l o 昏c d l i m p l e m e n t a t i o na r ed e t a i l e d f i n a l l y t h ed i g “a ls i 删a t i o nw a v e f o r ma n dt l l ee x p e r i m e n t w a v e f b ma r e g i v e n ， a n dt h ee 彘c t i v e n e s so ft h e p r o p o s e d a l g o r i t l l i nh a sb e e nv e r i f i e db yc x p e r i m e n tr e s u l t s r n l j sm e s i sd i s c u s s e sp 血d p a li s s u e so ft 1 1 em a 打i xc o n v e n c r 滩c h 勰p r i m e p 血c i p l c ，c o n t r o ls t r a t e g y c u r r e n tc o m m u t a t i o ne t c s o m ev a l u a m ee x p 鲥e n c c s 柏dc 彻d u s i o n sa r c 画v e n ，w h i c hf o u n d l h eb a s i so f 也ep r o j e c | f o rm ef u r t h e rs t u d i e s k e yw o r d s ： m a 仃i 】【 c o n v e n e r ， s p a c e v e c t o r m o d u l a t i o n ， f o u r - s t e pc o m 舢n i c a t i o n ，b i - d i r e c d 蚰a ls w i t c h e s ，c p l d ，d s p 北京空运大学顿士学位论文 矩阵变换器的研究 第一章绪论 1 1 矩阵变换器产生背景【朋】 在广义上，矩阵变换器是输入频率为f i 的耐侣交流电而输出频率为f o 的n 相交流电的电源变换器( m 、n 为自然数，f i 、f o 为实数) 。其学术思 想最初由l g y u g y i 和b p p e l l y 在1 9 7 6 年提出。在提出后，由于当时电 力电子技术和计算机控制技术水平还远不能满足变换器要求，因此还只是 一种学术思想而没引起足够的重视。 近年来，随着电力电子器件及微电子器件的迅猛发展，以及现代控制 理论向交流电气传动领域的渗透，交流调速已经成为当代电气传动中实现 自动化和节能的主要技术手段，变频调速装鼹得到了同益广泛的应用，随 着社会的发展各类变频装置的数量还将剧增。目前广泛使用的交流变频器 一般采用“交直一交”形式，其主要优点是实现无级调速系统效率高。 但这种传统的变频器存在需要较大的中间支撑电容、实现能量反馈需采用 额外措施等闯题，尤其是输入电流中高次谐波含量高，电源电流发生畸变， 交流输入侧功率因数较低、污染电网而影响其它电网负载的正常工作。另 外一种变频器装置是采用“交一交”形式，有两个主要缺陷：l 、输出频 率低，当输出频率升高时，谐波分量增加，另外负载功率因数对输出特性 也有一定影响。2 、出于采用相控方式，输入功率因数较低，谐波丰富， 对电力品质产生很大影响。交一交变频器主要应用在低转速、大功率的调 速装置中。 综上所述，目前应用的交一直一交变频器和交一交变频器都存在无功 功率和谐波污染，导致了电压波形的畸变，对电力设备造成严重危害。近 年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染r 趋严重， 由谐波引起的各种故障和事故不断发生。谐波危害的严重性已引起人们的 托京交通大学琢士学位论文 1 矩阵变换器的研究 高度重视，防治电力公害已迫在眉睫。消除谐波、补偿无功己成为电力电 子技术领域中一个重大研究课题。解决电网谐波污染和低功率因数问题主 要有两种途径。一是增加补偿装置，即在电力系统中投入大容量的有源或 无源滤波器，以补偿谐波和无功功率；二是开发高功率因数和低谐波污染 的电力电子变换器。无功补偿和滤波实质上是一种先污染再治理的方法， 治标不治本。显然，研制并使用具有优良控制性能和优良输入电流品质的 电力变换器，使其具有可控的输入功率因数且不对电网造成谐波污染是当 前的趋势。矩阵变换器正是适应这一需要而产生了。最近十多年来电力电 子器件和控制手段的发展与成熟使得矩阵变换器从学术思想变为现实成 为可能。 在各种新型电力变换器中，矩阵式变换器( t r i xc o n v e r t e r ) ，以其 简单的拓扑结构及诸多的理想特性，使其具有巨大的研究价值和广泛的应 用前景。在理想条件下，这些特性包括： ( 1 ) 可获得正弦的输入电流和输出电压； ( 2 ) 可实现能量的双向传递： ( 3 ) 输入功率因数可调。输入电流可调节为超前、滞后或同相于输入 电压： ( 4 ) 无中问储能环节，结构简单，这使得变换器可能集成为一个模块。 既可用于电机驱动，又可用于无功补偿；体积小，重量轻，可靠性高； ( 5 ) 输出电压幅值、相位和频率均可以独立调节。 矩阵变换器具备一些比交一直一交变频器更优越的性能。它采用一次 性功率变换，省去中间直流环节，去掉了体积庞大的电磁元件，使得体积 减小，效率提高，电磁响应加快；又避免了采用相控方式而导致的丰富低 频谐波，因而有着更广阔的应用前景，是一项具有节能、环保优势的新技 术。矩阵变换器可以应用在安装空间有严格要求的装置上、高温振动等恶 2 北京交通大学硕士学位论文 矩阵变换器的研究 劣场合的变频控制及要求频繁四象限运行的电动机调速；可以作为电源供 应，进行a c d c 、d c a c 、d c d c 变换，与目前电源产品相比，电网输入电 流好，功率因数高，结构紧凑寿命长；还可以应用于高眶大功率变换；可 以将矩阵变换器串并联使用：由于矩阵变换器的输入功率因数可以任意调 节，其调制策略和实现技术在某些场合可以应用于校正电路的功率因数。 因此对它做进一步深入的研究是很有实际意义的。可以预见在不远的将 来，矩阵变换器将成为广泛使用的电力变换器之一。 1 2 矩阵式变换器发展历史及现状 矩阵变换器作为一种新型的交一交变频器，其电路拓扑形式早在 1 9 7 6 年被提出，直到1 9 7 9 年意大利学者m v 和a a l e s i n a 提出了矩阵变换器 存在理论和控制策略后，其特点才为人们所关注和研究。 7 0 年代，普遍使用的是半控功率器件晶闸管，采用这种器件组成 矩阵变换器，控制难度是很高的。矩阵变换器的硬件特点是要求有大容量， 高丌关频率，具有双向阻断能力和自关断能力的功率器件，同时由于控制 方案的复杂性，要求具有快速处理能力的微处理器作为控制单元，而这些 都是早期半导体工艺和技术水平难以达到的。所以这一时期矩阵变换器的 研究主要针对主回路的拓扑结构及双向开关的实现，大多数都处于理论研 究阶段，很少有面向实际的研究。 8 0 年代，高工作频率、低控制功率的全控型功率器件，如b j t 、i g b t 等不断涌现，推动了矩阵变换器控制策略的研究。研究发现，采用全控器 件，不仅可以对输入相移进行控制，还能对输入电流波形进行控制。8 0 年 代末，矩阵变换器的实验装置问世了。早期的实验装置由于工作频率不够 高及换流技术不完善，输出频率都很低，通常低于电网频率，但突破以往 交一交变频器的上限。 进入9 0 年代以来，随着电力电子器件制造及应用技术的发展，矩阵变 北京交通大学硕士学位论文 3 矩阵变换器的研究 换器的研制形成了一个热点。构成双向开关的单向开关间的多步换流控制 技术被推广开来，装置的性能得到了很大的提高，最高输出频率达到了电 网输出频率的2 3 倍，输入侧电流畸变率小于2 。采用电流跟踪及矢量 控制等取得了一定成果。南斯拉夫学者l h u b e r 和美国教授d b d r o j e c v i c 提出基于空间矢量控制的控制技术，并成功研制了2 k w 的实验样机，台湾 学者潘晴财基于电流滞环跟踪和软开关技术，提出了另外一种实现方法。 1 9 9 7 年英国学者d w h e e l e r 和d g r a n t 提出了一种对构成双向开关的单向 开关间切换四步换流的低开关损耗和优化输入滤波器的矩阵变换器的仿 真研究，并研制出了5 k w 样机。 我国矩阵变换器的研究工作开展较晚，基本从9 0 年代开始。南京航空 航天大学的穆新华、庄心复对双电压合成的矩阵变换器进行了深入研究， 提出了“原点开关”的概念。哈尔滨工业大学对矩阵变换器的理论进行了 深入的分析和研究，分析了矩阵变换器输入无功功率的性质和无功量值的 调节规律，得出了一些有意义的结论。福州大学基于电流滞环跟踪的矩阵 变换器研究，建立了电流滞环跟踪仿真模型，推导了电流跟踪控制方式下 的开关函数，验证了矩阵变换器电流滞环跟踪控制的正确性和可行性。上 海大学三相矩阵变换器的研究完成了基于8 0 c 1 9 6 k c 单片机的矩阵变换器 控制系统，并取得了较好的实验结果。 矩阵变换器具有良好的输入输出特性，作为新一代电力电子变换器也 遇到以下影响矩阵变换器性能的技术问题： l 、传输比低。三相矩阵变换器在输入输出频率独立时，最大电压传 输比为0 8 6 6 ，这在一定程度限制了使用范围。 2 、实时运算量大。矩阵交换器重要条件是建立在实时运算，实时控 制的基础上，提高斩波频率对于提高响应速度，减少体积有许多优点，而 这将对实时运算提出了更高的要求，这也是目前矩阵变换器工作频率受到 4 北京变迁大学焉士学位论文 矩阵变换器的研究 限制的主要原因。目前有关调制策略研究方向之一就是以减少实时运算量 为目的的。总体而言，矩阵变换器实时运算量还是很大。 3 、换流次数多。这也是影响工作频率提高的重要因素。同时频繁的 换流直接影响输出波形的质量，增加装置的功率损耗，也增加了控制的复 杂性。 由于以上不足，目前矩阵变换器还停留在研制阶段，在非对称，畸变 输入电压条件下的控制问题，提高矩阵变换器容量，实现多台矩阵变换器 并联运行问题有待迸一步解决。但总体来说，矩阵变换器是一种具有优良 输入输出特性，无电力谐波，功率可双向流动的新型交一交直接电源“绿 色”变换器。在变频调速系统中的应用，既可产生节能的重大经济效益， 又避免了因谐波污染带来的电力系统的环保问题，是一种无负面效应可持 续发展的技术，研究意义深远，应用前景广阔。 1 3 本课题研究任务 矩阵变换器具备比传统交一直一交变频器更优越的性能而有着 更广阔的应用前景，对它作进一步深入研究是很有实际意义的。 本课题是校基金项目，是基于空间矢量控制的矩阵变换器的预研课 题，为将来的矩阵变换器应用于实际中作技术储备。 本文详细讨论了矩阵变换器空问矢量调制策略的控制原理，并在实际 系统上作了验证。第二章中介绍了矩阵变换器的基本原理和目前几种调制 策略，分析了不同控制方法的优缺点。第三章对矩阵变换器的空间矢量调 制策略进行了详细的分析，并推导了矢量计算公式。第四章介绍了矩阵变 换器的双向开关构成和安全换流策略，用c p l d 实现了双向丌关的安全换 流。第五章介绍了整个矩阵变换器系统硬件结构，包括矩阵变换器控制系 统和安全换流硬件逻辑系统，及整个控制软件的设计。第六章给出了系统 的数字逻辑仿真与实验波形，并进行了分析。最后说明了实验中遇到的闯 北京变通大学碗士学位论文 5 矩阵变换辗的研究 题、实现程度和仍需要解决的问题，给出结论。本文的工作对这种新型的 “绿色”矩阵变换器的进一步深入研究和应用打下基础。 本文作者作为矩阵变换器研究项目的负责人，承担了项目的主要工作： 夺深入地研究了矩阵变换器的工作原理和矩阵变换器的空间矢量调制策 略。 夺设计了以1 m s 3 2 0 c f 2 4 0 为核心的矩阵变换器的控制系统，并进行了 软、硬件调试。 夺用两片x l i r _ l x 公司的复杂可编程逻辑器c p l dx c 9 5 1 4 4 实现了双向开 关间的安全换流。 搭建了整个矩阵变换器系统的实验平台，验证了矩阵变换器空间矢量 控制策略的正确性。 6 北京交运大学硕士学位论文 矩阵变换器的研究 第二章矩阵变换器的基本原理 2 1 矩阵变换器基本原理阱l 从理论上讲，矩阵变换器的输入可以是m 相频率为f i 的交流电，输出 为n 相频率为f o 的交流电，是一种万能功率变换器。但在目前的研究实际 中，往往以三相交一交矩阵变换器为主要研究对象，矩阵变换器一般代表 具有优良品质的三相交一交变频器。 矩阵变换器的拓扑结构如图2 1 所示，主电路采用矩阵形式连接，由 九个双向开关组成。双向开关就是指具有双向电压阻断能力，流过双向电 流且具有自关断能力的功率器件，也称为四象限开关( 4q u a d r a n ts w i t c h ， 简称4 q s w ) 。 图2 一l矩阵变换器主电路拓扑 f i g i l 托2 一ls i m p l i f i e dc i r c u n0 f m a “i 】【c v c n e o 设为一双向功率开关，则可定义的开关函数如下 矩阵变换器的研究 驴鼯 ( 2 _ 1 ) 由于矩阵变换器输入电压源不能短路，输出端感性负载不能开路，因而 s 可+ s 坷+ 5 可1( 2 2 ) 也就是任何时刻每一输出相有且只有一个开关管导通。 对于确定的三相对称输入电压，角频率为q ，幅值为，即 k 。卜慝：蚓 ， 三相输出电压，角频率为脚。，幅值为p 乙，初始相位角为丸，即 屹肾慝惫二3 1 p 屹ti j p ，州j c o s ( 。卜- 1 2 0 。+ 丸) i ( 2 4 ) j ji c o s ( 畔- 1 2 0 。+ 屯) l 设负载功率因数为砚，参考上式，三相输出电流可写成 。卜簟爱二：爿 p s ， j 。一i 口l 。，。i c o s ( 。f 一1 2 0 。+ 丸妒，) l( 2 5 ) i ，cii c o s “1 2 0 。+ 丸一仍) i 卜卜医篇】 p s ， 考虑到矩阵变换器的双向功率开关管工作在高频状态，可以通过一定 的p 啊调制策略，控制九个开关管的导通和关断，在输出端合成频率、幅 值可调的一组所需的低频输出电压。设肼。( f ) 为双向开关s 蔚的占空比， 北京交通大学碾士学位论文 矩阵变换器的研究 则_ ，l 巧o ) 一，o 0 ，则此 f 状态可表示为0 0 1 0 0 1 0 0 1 ，最左边前三位表示三个输入相的状态，l 表示 要换流到的输入相，其余两相表示为0 ；中间三位表示三个输出相的状态， 1 表示发生换流的输出相，其余两相表示为o ；最右边的三位表示输出电 北京交迁大学顿士学位论文 矩阵变换器的研究 流的方向，1 表示为发生换流的输出相电流为正方向，其余两相表示为0 。 九位换流信息包含了开关组合和矢量顺序。d s p 根据空间矢量调制法计算 出四个矢量作用时间，以中心对称p w m 波形输出给c p l d ，p w m 波形如 图4 7 所示。由于采用中心对称p w m 波形，因此每周期共发生8 次换流， 分别发生在1 8 时刻，因此每周期共有8 个换流状态信息。d s p 通过1 6 位数据总线将一周期内的换流状态，即8 个九位数据写入c p l d ，c p l d 将换流信息锁存。c p l d 对d s p 发出的p w m 波进行逻辑计算，得到相应 的换流条件，一旦换流条件满足，第一片c p l d 将输出相应时刻的换流信 息给第二片c p u ) 。 曩一 刚1 一2 l _ 1 l 一 慧到厂 世二 p 嘲4 45 图4 7d s p 产生的p w m 波形 f i g u 孵4 7p w mw a v e f 0 吣b yd s p 这样一旦d s p 发出了周期内的换流信息，第一片c p l d 会将所有信息 全部锁存，然后根据发生换流的条件，自动将换流信息在相应的换流时刻 到来时输出给第二片c p l d ，由第二片c p l d 按照四步换流策略完成具体 的换流。 第一片c p l d 完成的逻辑用v h d l 语言实现具体分为以下几个部分： 一、片选逻辑 d s p 采用的是t m s 3 2 0 f 2 4 0 有2 2 4 k 3 2 b i t 的最大可寻址存储器空间 ( 6 4 k 的程序空问、6 4 k 的数据空问、“k 的l o 空闽和3 2 k 的全局空 间) ，f 2 4 0 片内具有5 4 4 字节的r a m ，在系统的正常工作中使用的是片内 北京交通大学磺士学位论文 4 3 矩阵变换器的研究 的r a m ，但是为了调试的方便，在电路上扩展了一片6 4 k 的外部r a m ， 可根据需要设置为程序存贮器或数据存储器来使用。存储器采用 l s s l 6 1 c 6 4 1 6 ，该芯片是高速i 溘m ，满足了d s p 高速运行的要求。 外部r a m 分配为两个部分具体的v h d l 语言描述如下： r a m c s 7 f f f d 2 k ) 黜蝴a t a )8 0 0 0 - f f f f ( 3 2 k ) 其中c p u l t e s 为c p u 复位信号，s 1 1 旧为片外选通信号，p s 和d s 是程序和数据空间选通信号，a 1 5 地址线的最高位。 二、分配i 0 空间 d s p 在每个采样周期向c p l d 写入8 个数据即一周期内的换流状态，因 此分配8 个地址空间，每部分空间大小为4 k ，利用d s p 的高四位地址线进行 译码，完成地址空间的分配。表4 2 给出了空间的分配表。 表4 2i ，o 空间的分配表 t a b l e4 - 2d e c o d ek 吲c dc o n t m ls i 驴a l 逻辑控制信号 芯片空间大小 s t r bec p u r e s1 0 s 1 5 a 1 4a 】3 1 2 o u l s 0 0 0 0 0 一 o f f fo0oo0ooo 0 u t c s l1 0 0 0 一 l f f f000o0o0l 0 u t c s 22 0 0 0 一) 2 f f f00o000l0 0 u 1 s 3 3 0 0 0 一 3 f f fo o 00o0ll 北京交通大学醺圭学位论文 矩阵变换嚣的研究 0 u 1 s 4 4 0 0 0 一 4 f f f 000oo lo 0 o u t c s 5 5 0 0 0 一) 5 f f f0o00010l o u l s 6 6 0 0 0 一) 6 f f fo o 0 00 l10 0 i i t c s 77 0 0 0 一 7 f f fo0ooo11l 具体v h d l 语言描述如下： 0 u t c s 0 = “c p u r e sa n d ( n o ts t r b ) 锄d ( 1 1 0 ti o s ) a n d ( n o tw e ) 柚d ( n o t a l 5 ) a n d ( 1 l o t a l 4 ) 粕d ( n o t a l 3 ) 柚d ( n o t a l 2 ) ) ； o u r c s l = n o t ( c p u r e s锄d ( n o ts t r b ) a n d ( n o ti o s ) a n d ( n o t w e ) 柚d ( n o t a l 5 ) 柚d ( t a l 4 ) a l l d ( t a l 3 ) 觚d a l 私 o u t c s 2 = n o “c p u r e s 蹰d ( n o ts t r b ) 蛐d ( n o tl o s ) a i l d ( n o tw e ) 柚d ( n o t a l 5 ) a l l d ( n o t a l 4 ) 锄d a l 3 柚d ( o t a l 2 ) ) ； o u t c s 3 = n o c p u r e s 和d ( n o ts r n 氇) 粕d ( n o o s ) 卸d ( n o tw e ) a n d ( n o t a l 5 ) 锄d ( t a l 4 ) 卸d a l 3 趾d a l 2 ) ； o l r r s 4 = n o t i ，c p u i 也sa l l d ( n o ts t r b ) a n d ( n o ti o s ) a n d ( n o tw e ) a n d ( n o ta 1 5 ) 蛐d a 1 4a i l d ( n o ta 1 3 ) a n d ( n o ta 1 2 ) ) ； o u t c s 5 = n o t ( c p u r e sa i i d ( n o ts t r b ) a n d ( n o ti o s ) a n d ( n o tw e ) 柚d ( n o t a l 5 ) a n d a l 4 柚d ( n o t a l 3 ) 卸d a l 2 ) ； o u t c s 6 - n o t ( c p u r e s 锄d ( n o ts t r b ) a n d ( n o ti o s ) 卸d ( n o tw e ) a n d ( n o ta 1 5 ) 龃d a 1 4a n d a 1 3 柚d ( n o ta 1 2 ”； o u t c s 7 = n o “c p u r e s 柚d ( n o ts t r b ) a n d ( n o tl o s ) a n d ( n o tw e ) a n d ( n o ta 1 5 ) a n da 1 4 如d a 1 3a n da 1 2 ) ； 其中c p u 砌骆为c p u 复位信号，s m 为片外选通信号，p s 和d s 是程序和数据空间选通信号，眶是写使能信号，i o s 是i 0 选择信号， a 1 5 、a 1 4 、a 1 3 、a 1 2 为四位地址线。 三、数据写入 d s p 将一周期内的换流状态的8 个数据写入第一片c p l d ，具体v 瑚) l 语言描述如下： 矩阵变换罂的研究 p r o c e 豁( o l i t c s l ) b e 酉n j fo u t c s 0 t e v e n ta n d0 u t c s o = 1 。t i l c n a 1 = d b u s ( o ) ； b k = d b u s ( 1 ) ； c 1 = d l b u s ( 2 ) ； u 1 = d l u s ( 3 ) ； v 1 = d _ _ b u s ( 4 ) ； w 1 = d b u s ( 5 ) ； i u l = d b u s ( 6 ) ； i v l = d i u s ( 7 ) ； j w l = d b u s ( 8 ) ； e n d i f e n d p r o c e s s ； 其余另外七组的描述与上所述相同。 四、数据传输 第一片c p u ) 在换流时刻到来是，即在满足一定的逻辑关系时，向第 二片c p l d 写入换流状态指令。具体v 瑚) l 语言描述如下： p r o c e 鲻( p 1 ，p 2 ，p 3 ，p 4 ，t e s t 2 ，印哟 b e g i n i f p 1 = 1 a n dp 2 = i o ta n d t e s t 2 = 0 t h e n s 1 = a 1 ： s 2 = b 1 ： s 3 = c 1 ： s 4 = u 1 ： s 5 = v l ： s 6 = w 1 ： s 7 ( = i u l ： 4 6 北京交避丈学硬士学位论文 矩阵变换器的研究 s 8 = i v l ： s 9 = i w l ： e n dp r o c e s s ； 其中s 1 s 9 是第一片c p l d 的输出，这里只给出了部分程序，另外部 分同理可得。 b 、分配脉冲( 第二片c p u ) ) 第二片c p l d 连接第一片c p u ) 和驱动电路，具体完成四步换流策略。 设计时，根据四步换流的条件转移逻辑关系，可综合出硬件电路，并对芯 片源利用和性能进行优化，快速完成核心逻辑编制。根据矩阵变换器主电 路中m o s 肿器件本身开通关断时间要求，换流时钟节拍采用c p u ) 外 部2 m 晶振。第二片c p l d 接收到第一片c p l d 传送过来的九位换流状态 信息，采取四步换流策略，输出1 8 路脉冲，相当于完成译码器的功能。 三个输出相换流过程都是相同的，且每一时刻只有一个输出相在发生换 流。将变换器输出三相表示为a ，b ，c ，输入三相表示为a ，b ，c ，以输出a 相发生换流为例，共有三种换流状态，分别是换流到输入a 相；换流到输 入b 相；换流到输入c 相，又根据电流方向正负不同，因此a 相换流共有 6 种情况。假设此时负载电流方向为正，输入a 、b 两相之间发生换流，由 a 相换到b 相，根据四步换流理论，首先将与输出a 相连接的三个双向开 关的下管全部关断，然后开通将要换流到的b 相双向开关s a b 的上管 s a b l ，第三步将其余输入a 相、c 相的双向开关的上管同时关断，最后将 要换流到的b 相双向开关s a b 的下管s a b 2 导通，这样就完成了从输入a 相到输入b 相的换流。将以上逻辑过程用d l 语言进行描述。换流到c 相、a 相原理也是一样的。这样第二片c p l d 根据第一片c p l d 送过来的 换流状态信息，按照四步换流理论完成换流，输出1 8 路脉冲直接连接到 m o s 肿驱动电路。 北京交通大学瑷士学位论文 矩阵变换器的研究 制和数据处理能力与c p l d 的高集程度、高可靠性和高速度结合起来，使 所设计的控制系统具有较高的性价比，通过功能和时序仿真可以降低设计 风险。d s p 与c p l d 的输入输出电平和速率都匹配，因此直接连接。不存 在电平转换和传输延时的问题。同时c p l d 器件属于可重构器件，内部的 具体逻辑功能可以根据需要进行配置，使系统具有很大的灵活性，可减少 系统芯片数量，缩小系统体积，提高系统可靠性。除此之外先进的e n a 工具可以减少设计周期和开发费用，系统维护和扩展十分方便。通过对器 件的加密可以保护开发者的知识成果。在d s p 系统中采用i s p 技术的 c p l d ，通过好的设计方案还可能实现远程硬件升级或远程逻辑重构。 5 2 矩阵变换器主电路结构及其驱动 图5 2 矩阵变换器主电路拓扑结构 f i g u r c 5 - 2s t 埘c h i r e0 f m a t r i xc o n v e n e rm a i c i r c u j t 1 、工作频率选择：本系统以工频市电为输入。开关管工作频率高，则输 出波形谐波含量少。有利于滤波，但工作频率高则管子的损耗和发热就会 增加。因而本系统选择开关频率为2 m z 。 5 0 北京交通丈学硕士学位论文 矩阵变换器的研究 2 、开关管的选择 本实验系统功率不大，可选用1 8 个功率m o s h t 开关管组成9 对双 向开关。功率m o s 兀玎开关管输入阻抗高，所需驱动小，是一类高性能 的自关断器件。开关管截至时承受的最大电压约为5 0 0 v ，考虑5 的电压 波动和留有一定的电压余量，所以选用l r 公司的p 沟道功率m o s 肿管 i r f p c 4 0 ，耐压6 0 0 v ，额定电流6 8 a ，内阻1 2 q ，反向恢复时间5 5 璐。 3 功率m o s f e t 驱动电路【1 9 】 经过c p l d 电路处理的控制信号送给驱动电路控制m o s h t 开关管 的导通和关断。共有1 8 个驱动电路。每个具体的驱动电路如图5 3 所示， 本文选用惠普公司的隔离光耦驱动芯片h c p l 3 1 2 0 ，如图所示驱动电路的 输入和输出是相互隔离的，驱动电路还有转换电平的功能，将c p l d 的+ 5 v 控制电压转换为+ 1 5 v 的m 0 s f e t 驱动电压，驱动电路电源采用金升阳的 f 0 5 1 5 隔离电源模块，该电源模块将辅助电源提供的+ 5 v 电源变换为驱动 电路需要的+ 1 5 v 电源，且能承受耐压为1 0 0 0 v 。 h c p l 3 1 2 01 5 v wr v 拙v 托 d l c 3 6a r o l l l v h -v o - ，l 罕宁i 。门k 冠 v卜vo+ l 仁兰坠焉 r l io 5 o n m o 垃 图5 - 3m o s f e t 驱动电路 f i g l i r e 5 3d 巾ec i f 衄i to fm o s 肿 5 3 电压电流信号检测电路设计 矩阵变换器的空间矢量法需要知道输出电压和输入电流所在扇区，找 到相应的矢量组合，因为输出电压给定，所以可以通过检测输入电压过零 点来确定输入电流扇区( 输入电流滞后输入线电压3 0 。) 。双向开关的安全 换流需要知道三相输出电流的 矩阵变换器的研究 路，检测输入电压和输出电流的极性。 5 3 1 专用隔离运放 检测系统模拟信号调理电路实现的功能是把强电信号转换为d s p 可 以读取的的弱电数字信号，同时需要保证强电和弱电的隔离。常用的方法 主要有霍尔传感器和隔离运放两种。其中霍尔传感器的原理主要基于磁平 衡，当输入信号变化对输出会有个滞后，这就造成了输出信号在响应方面 比较慢，造成系统的动态响应不好。为了解决这个问题本系统采用的是隔 离运放。 隔离放大器可应用于商共模电压环境下的小信号检测，对被测对象和 数据采集系统予以隔离，从而提高共模抑制比，同时保护电子仪器设备和 人身安全。按耦合方式的不同，其可以分为变压器耦合、电容耦合和光电 耦合三种。从非线性度、共模抑制比、温漂和带宽方面考虑，系统选用的 是惠普公司采用光电耦合的h c p l 7 8 0 0 a 。其非线性度为0 0 0 4 ，在麸模 电压为1 0 0 0 v 时共模抑制能力为1 5 k v s ，增益温漂0 0 0 0 2 5 v v ，带宽 为1 0 0 k h z 。 h c p l 7 8 0 0 a 是专门为电机传动系统电流检测而设计的一款隔离运 放。其工作原理为在隔离放大器输入侧，过采样模数转换器s a d c 将输 入的模拟信号转换为高速串行位流，其脉宽正比于信号的大小。位流经处 理后出光电管以光的形式传送到输出端，在输出侧解调，并由数模转换器 重新转换为模拟量，滤波后输出。 通过s a d c 采样，将输入模拟量变换为位流，以数字脉冲形式耦合 到输出侧，光电器件的非线性和漂移问题得以解决，从而保证了隔离放大 器的性能。同时由于采用完全差分拓扑电路，使其具备了很强的共模电压 瞬变抑制能力和稳定的增益等优点，使得在高噪声控制环境下的电机电流 的精确和稳定监测成为可能。 北京变通丈学磺士学位论文 矩阵变换器的研究 5 3 2 检测电路的设计 检测隔离电路的设计主要围绕h c p l 7 8 0 0 a ，如图5 4 所示，涉及到 了采样电阻的选取、滤波及保护、信号转换、电源设计，下面分别说明。 图5 4隔离检测电路 f i g l l r e5 _ 4 s c n s i n g c i r c u i l ( 1 ) 采样电阻计算 h c p l 7 8 0 0 a 的输入推荐工作条件为盟0 0 | i n v ，这时隔离运放工作在 精确线性区；实验指标为输入电压为2 2 0 v ，5 0 h z 的市电，额定功率为2 k w ， 根据这两点进行采样电阻的选取。 对于电流检测，采样电阻上的最大压降应当小于2 0 0 畹v ，由此可得电 流采样电阻尼的范围为： r ，s0 2 3 x 2 2 0 ，2 0 0 0 2 o 0 4 6 q 因而系统选用四只o 1 0 1 w 的电阻并联，即有r ，= 0 0 2 5 q 。 同理对于电压采样电阻应保证分压比例范围为： 足u o 3 8 0 2 - v 2 6 8 7 系统选用的是6 8 0 k o 和2 4 0 0 的电阻分压，分压比例1 2 8 3 4 。 ( 2 ) 滤波及保护 由于隔离放大器采用了调制解调手段，在调制解调过程中不可避免地 矩阵变换器的研究 会产生一些噪声，同时采样的电压电流本身可能含有谐波。为了滤除谐波 信号，在信号输入隔离放大器之前和从隔离放大器输出之后，设置相应的 滤波回路是必要的。 输入端通常采用r c 滤波，须考虑隔离运放本身的参数，主要包括以 下几点： 1 输入管脚的偏置电流：额定值为5 0 0 n a 。如果采用单个滤波电 阻和管脚2 串连，而管脚3 上没有电阻，则电阻上的压降会增加设备的偏 置误差。但是只要电阻上的压降小于输入偏置电压( 0 3 m v ) ，就不会有闯 题。如果要串连大的电阻，则最好把一半电阻和管脚2 串连、一半和3 串 连。在这种情况下直偏电压主要由电阻的不匹配乘以输入偏置电流产生， 这种电阻的不匹配通常小于电阻设计值的1